脈沖推力器用煙火型裝藥燃燒性能研究

蔣新廣， 張長(zhǎng)富， 閆正虎， 郁紅陶

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

脈沖推力器是一種能夠產(chǎn)生脈沖推力的彈道修正執(zhí)行裝置，用以實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中對(duì)彈體的彈道和姿態(tài)修正，從而精確命中目標(biāo)。對(duì)脈沖推力器工作過(guò)程的要求是燃燒室壓力上升速度快、工作時(shí)間短，壓力曲線要具有顯著的脈沖特性。而裝藥是脈沖推力器工作的能量來(lái)源，對(duì)裝藥的性能要求之一就是具有較高的燃燒速度。因此，研究裝藥的燃燒性能對(duì)脈沖推力器設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前，脈沖推力器常采用的裝藥主要有發(fā)射藥、高燃速?gòu)?fù)合固體推進(jìn)劑和煙火型推進(jìn)劑[1]。對(duì)于發(fā)射藥和高燃速?gòu)?fù)合固體推進(jìn)劑，能達(dá)到的最高燃速只有幾百毫米每秒， 該裝藥的推力器作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。對(duì)于煙火型推進(jìn)劑，其燃速可以達(dá)到幾十米每秒。采用該型藥劑作為裝藥，燃燒時(shí)間顯著縮短。因此，設(shè)計(jì)作用時(shí)間要求為幾個(gè)毫秒級(jí)的脈沖推力器，必須采用煙火型裝藥才能滿足使用要求。

燃燒特性是藥劑的重要性能之一，研究藥劑的燃燒性能對(duì)于推力器設(shè)計(jì)有著重要作用。燃速高低對(duì)于脈沖推力器的作用時(shí)間和總沖量具有決定性的影響。宋琴等[2]測(cè)定了低燃速高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑的燃速，研究了組分含量、高氯酸銨粒度級(jí)配對(duì)低燃速推進(jìn)劑燃燒性能的影響。周曉楊等[3]研究了不同固體組分含量對(duì)高能固體推進(jìn)劑燃燒性能的影響。田長(zhǎng)華等[4]用靶線法測(cè)試燃速，研究了黑索今(RDX)粒徑、組分等因素對(duì)燃燒性能的影響。由此可以看出，推進(jìn)劑燃燒性能受到多種因素的影響，要使推進(jìn)劑按照一定規(guī)律燃燒，需要合理選擇藥劑的各項(xiàng)參數(shù)。

本文根據(jù)所研究脈沖推力器的輸出性能要求，研究了一種煙火型裝藥，采用光纖測(cè)速法和密閉爆發(fā)器試驗(yàn)測(cè)試了該裝藥藥劑在燃燒室中的燃燒速度和燃燒規(guī)律，為選擇合適的藥劑配比和裝藥密度，保證裝藥穩(wěn)定燃燒提供了依據(jù)。

1 藥劑組分設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的煙火型裝藥以硝胺類炸藥RDX為氧化劑，以苦味酸鉀(KP)為可燃劑，以硝化棉(NC)為黏合劑，按照煙火藥的混合方法制備而成。

RDX的生成焓為正值，在火藥中加入一定量的RDX可以使火藥能量提高，又能使火藥燃速增加[5]。RDX成分中含有大量的氮，燃燒后生成N2，氣體生成量高。

NC是推進(jìn)劑的主要能量組分之一，能產(chǎn)生大量的燃燒氣體產(chǎn)物，并且加入NC可以改善藥劑的力學(xué)性能。

KP通常作為點(diǎn)火藥和單體延期藥，其火焰感度高，具有良好的點(diǎn)火性能，易被點(diǎn)燃。在火藥中加入KP，可以起到快燃物的作用。用添加快燃物的方法提高推進(jìn)劑燃速是一種重要發(fā)展趨勢(shì)，其機(jī)理是推進(jìn)劑在燃燒過(guò)程中，該快燃物以極快的速度首先燃盡，在原位置留下大量孔隙，一方面增加了燃燒表面，另一方面又加速了熱量向燃燒表面的傳遞，從而增加了推進(jìn)劑燃速[6]。

與一般復(fù)合固體推進(jìn)劑所不同的是，該種藥劑配方可調(diào)性大，壓裝成形，在較小的燃燒室內(nèi)和較低的壓力下易于快速燃燒。

2 測(cè)試系統(tǒng)

本文采用光纖法測(cè)量藥劑的燃速，采用測(cè)壓裝置測(cè)試藥劑燃燒過(guò)程的壓力- 時(shí)間曲線，從而分析其燃燒性能。光纖測(cè)速試驗(yàn)裝置如圖1所示。光纖法測(cè)試的特點(diǎn)是光纖探頭響應(yīng)速率高、抗干擾能力強(qiáng)，便于測(cè)量微小區(qū)域內(nèi)燃速變化[7]。

圖1 光纖測(cè)速試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of burning rate test setup

試驗(yàn)裝置布置有6根測(cè)試光纖(光纖編號(hào)見圖1中1～6)，間距為6 mm. 第1根光纖距點(diǎn)火頭的距離為8.5 mm. 將煙火型裝藥直接在試驗(yàn)裝置中壓成一定密度的藥柱，裝藥直徑6 mm，總長(zhǎng)度36 mm，質(zhì)量為1.4 g，長(zhǎng)徑比為6，在壓藥時(shí)分3次壓。壓完后，在裝藥的點(diǎn)火端壓裝80 mg由硼、硝酸鉀與黑火藥組成的混合點(diǎn)火藥，高度為2 mm. 測(cè)試時(shí)，發(fā)火電源給試驗(yàn)裝置通電時(shí)，同時(shí)向示波器輸出觸發(fā)信號(hào)，使示波器啟動(dòng)，開始記錄數(shù)據(jù)。裝藥燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)通過(guò)光纖傳到光電轉(zhuǎn)換儀轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，被示波器記錄。隨著燃燒的進(jìn)行，不同位置的光纖采集到燃燒波陣面光信號(hào)的時(shí)間不同，在計(jì)算機(jī)上可以得出相鄰光纖之間的時(shí)間間隔Δt，由光纖的間距Δs和Δt可以得到該區(qū)間內(nèi)的平均名義燃速u.

測(cè)壓裝置如圖2所示，測(cè)壓裝置的燃燒室尺寸、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量與測(cè)速裝置一致。壓力傳感器采用壓電式傳感器，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后，由數(shù)字示波器顯示出壓力波形。

圖2 測(cè)壓試驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of pressure test setup

3 結(jié)果及分析

3.1 不同配比藥劑對(duì)燃速的影響

根據(jù)3種組分各自的性能，制備出3種配比的藥劑，其組分配比如表1所示，并采用光纖測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試不同配比藥劑的燃速。在測(cè)試時(shí)，3種不同藥劑的裝藥條件相同。

表1 3種不同配比藥劑

得到的燃速測(cè)試結(jié)果如表2、表3、表4所示。3種藥劑的平均名義燃速隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

表2 藥劑1的燃速測(cè)試結(jié)果

圖3中3種藥劑的起始時(shí)刻分別是825 μs、874 μs、945.5 μs. 由以上3組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，

表3 藥劑2的燃速測(cè)試結(jié)果

圖3 平均名義燃速與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Average burning rate vs. time

煙火型藥劑的燃速?gòu)那巴笾饾u增大，到一定距離后達(dá)到最高燃速并保持穩(wěn)定，其最高燃速可以達(dá)到600 m/s，表明所設(shè)計(jì)的煙火型藥劑能夠滿足推力器對(duì)裝藥高燃速的要求。

隨著藥劑配比的變化，藥劑在燃燒初期階段的燃燒速度有所不同，而燃燒后期的燃燒速度趨于一致。主要原因?yàn)椴煌浔人巹┲械腒P含量不同，由于KP的火焰感度比其他組分高，在點(diǎn)火燃燒初期階段，隨著藥劑中KP含量的增大，該藥劑就更容易被點(diǎn)燃，在燃燒初期階段由于KP先燃燒留下的空隙也增多，從而在初期階段較小的燃燒室壓力下，燃?xì)饩驮饺菀诐B透到空隙中，因此燃燒速度增大。

在燃燒后期階段，雖然尾部有排氣口，但是由于藥劑燃速高，燃?xì)馍少|(zhì)量流率大于燃?xì)馀懦鲑|(zhì)量流率，因此燃燒室壓強(qiáng)升高；隨著燃燒室壓強(qiáng)的升高，燃?xì)馀懦鲑|(zhì)量流率和燃?xì)馍少|(zhì)量流率都增加，但燃?xì)馍少|(zhì)量流率增加的速率更快，因此，燃?xì)馍少|(zhì)量流率同樣大于燃?xì)馀懦鲑|(zhì)量流率，從而燃燒室壓強(qiáng)越來(lái)越大。燃?xì)庠趬毫μ荻茸饔孟拢障吨械膶?duì)流傳熱作用非常劇烈，這時(shí)空隙大小的影響就不太顯著了，3種藥劑燃燒后期的燃速趨于一致。壓強(qiáng)越來(lái)越高，能夠增加熱量傳遞速率，從而提高燃速。但藥劑自身物理化學(xué)性質(zhì)的限制，其吸收熱量的速率有一個(gè)極限，當(dāng)傳熱速率由于壓強(qiáng)的升高而繼續(xù)增大時(shí)，吸熱速率保持在一定范圍內(nèi)變化不大，因此藥劑在后期還能保持燃速恒定不變。

3.2 不同密度藥劑對(duì)燃速的影響

為了研究密度對(duì)裝藥燃燒性能的影響，采用光纖測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試不同裝藥密度下的燃速。測(cè)試時(shí)，在圖1測(cè)試裝置的光纖2、光纖4、光纖6位置布置3根光纖，相鄰光纖采樣點(diǎn)之間的距離為12 mm，其他3個(gè)光纖位置用堵頭密封。裝藥采用2號(hào)藥劑，采用1.26 g/cm3、1.38 g/cm3、1.45 g/cm3、1.60 g/cm34種裝藥密度，每種密度條件下測(cè)試3發(fā)，測(cè)試結(jié)果見表5. 分別將3發(fā)測(cè)試結(jié)果取平均值得到該密度下的平均名義燃速，平均名義燃速與裝藥密度的關(guān)系曲線如圖4所示。

表5 不同密度裝藥的測(cè)速結(jié)果

圖4 平均燃速與裝藥密度關(guān)系Fig.4 Average burning rate vs. charge density

由表5結(jié)果可以看出：裝藥密度在1.26～1.45 g/cm3時(shí)，隨著密度增加，燃速也增大；當(dāng)密度超過(guò)1.45 g/cm3時(shí)，隨著密度增加，燃速減??；當(dāng)裝藥密度為1.45 g/cm3時(shí)，裝藥燃速最大。

分析其原因，裝藥密度對(duì)燃速有正反兩方面的影響。一方面，由于該裝藥為對(duì)流燃燒，燃燒速度很快。由圖2測(cè)壓裝置測(cè)得的壓力曲線(見圖5)可知，燃?xì)鈮毫ι仙彩盅杆伲谑钱a(chǎn)生壓縮波。裝藥密度增大，有利于壓縮波的疊加，加強(qiáng)燃?xì)鉂B透速度，從而對(duì)燃速增加有促進(jìn)作用。另一方面，對(duì)流燃燒傳播的一個(gè)主要原因是裝藥區(qū)域存在空隙，燃?xì)饽軡B透到空隙中。密度增大，藥劑組分顆粒之間的空隙率減小，減弱燃?xì)獾臐B透作用，對(duì)燃速有消極影響，甚至密度達(dá)到一定程度，會(huì)出現(xiàn)壓死現(xiàn)象，燃燒無(wú)法傳播。因此，隨著密度增加，正反兩方面影響此消彼長(zhǎng)，燃速變化有一個(gè)拐點(diǎn)，在該點(diǎn)時(shí)燃速達(dá)到最大。

圖5 裝藥密度1.45 g/cm3時(shí)的壓力測(cè)試曲線Fig.5 p-t curve of pressure test for charge density of 1.45 g/cm3

當(dāng)密度在1.26～1.45 g/cm3之間時(shí)，壓縮波的疊加作用大于空隙率減小的影響，所以燃速隨著密度增加而增大。當(dāng)密度超過(guò)1.45 g/cm3時(shí)，空隙率減小的作用大于壓縮波疊加的效果，所以燃速隨著密度增加而減小，在密度為1.45 g/cm3時(shí)，燃速達(dá)到最大值。

因此，在選擇裝藥密度時(shí)，應(yīng)該選擇在1.45 g/cm3左右，這時(shí)的燃速最大，作用時(shí)間最短。

3.3 燃速壓強(qiáng)指數(shù)研究

采用密閉爆發(fā)器對(duì)裝藥進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，裝藥采用藥劑2，密閉爆發(fā)器容積20 mL，壓力傳感器采樣頻率大于20 kHz. 將裝藥壓制成φ6 mm，高度2 mm圓形藥片，壓裝密度采用1.45 g/cm3，總藥量為 0.8 g. 試驗(yàn)得到的壓力曲線如圖6所示。

圖6 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)壓力曲線Fig.6 p-t curve of closed-bomb test

根據(jù)密閉爆發(fā)器壓力曲線，通過(guò)狀態(tài)方程式將它換算為Ψ-t關(guān)系式(Ψ為形狀函數(shù))，再利用形狀函數(shù)可得到e-t的變化關(guān)系(e為某一瞬間藥劑燃燒去的厚度)，然后由r=de/dt計(jì)算求得燃燒速度r. 這樣就得到了燃燒速度r與壓力p的函數(shù)關(guān)系。

采用Vieille指數(shù)速度函數(shù)表征燃速r與壓強(qiáng)p的關(guān)系：r=u1pn，為確定其燃速系數(shù)u1和壓強(qiáng)指數(shù)n，取對(duì)數(shù)得

lgr=lgu1+nlgp.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在給定的壓力區(qū)間內(nèi)(壓力上升段)，作出lgr-lgp的關(guān)系圖如圖7所示。二者關(guān)系近似為一條直線，具有一定的散布。因此可以采用最小二乘法確定逼近試驗(yàn)點(diǎn)的回歸直線，得到的回歸直線方程為lgr=1.702 7+0.736 4lgp，相關(guān)系數(shù)R2=0.827 5. 該直線的截距和斜率就分別代表lgu1和n.

因此，求得的燃速系數(shù)u1=50.431，壓強(qiáng)指數(shù)n=0.736 4. 其燃速方程為r=50.431p0.736 4.

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該藥劑的燃速壓強(qiáng)指數(shù)小于1，表明藥劑在燃燒時(shí)能夠保持穩(wěn)定。分析其原因，由圖8所示的藥劑熱分解特性曲線可知，藥劑的熱分解有3個(gè)不同的溫度段：第1個(gè)溫度段為熔融吸熱段，峰值溫度為205 ℃；后兩個(gè)溫度段為分解放熱段，峰值溫度分別為244 ℃和340 ℃. 藥劑熔融吸熱段是由于RDX熔融溫度比分解溫度低，RDX在燃燒分解前要先吸熱熔化而引起的，從而使藥劑的燃燒表面溫度降低。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，RDX等硝胺類組分在推進(jìn)劑的燃燒表面上實(shí)際起到惰性添加劑的作用，因此，燃燒能夠穩(wěn)定進(jìn)行。

圖8 藥劑差示掃描量熱曲線Fig.8 DSC curve of pyrotechnic composition

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)了由RDX、KP和NC為組分，按照煙火藥制備工藝混制而成的煙火型裝藥，采用光纖測(cè)試系統(tǒng)對(duì)藥劑的燃燒速度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，不同配比藥劑在燃燒初期階段燃速有所不同，而后期燃速相同，當(dāng)KP含量大時(shí)，藥劑初期燃速較高。同時(shí)，該裝藥在燃燒初期燃速增加很快，后期燃速穩(wěn)定。

2)裝藥密度是影響該種藥劑燃速的重要因素。隨著裝藥密度的增大，燃速先增大、后減小，當(dāng)裝藥密度為1.45 g/cm3時(shí)，燃速最高，可達(dá)到800 m/s. 因此，從提高裝藥的燃速角度考慮，可以選擇推力器的裝藥密度為1.45 g/cm3左右。

3)該煙火型裝藥的燃速壓強(qiáng)指數(shù)小于1，能夠穩(wěn)定燃燒，原因可能與RDX在燃燒分解前要先熔化吸熱，使藥劑的燃燒表面溫度降低有關(guān)。